Estrutura e funcionalidades

O EnergyPlus realiza simulações integradas, o que significa que ao contrário dos programas que o

precederam,

BLAST e DOE-2

, o cálculo de cargas térmicas nas zonas bem como os sistemas de

tratamento de ar e ventilação e as centrais de produção de energia térmica são calculados

simultaneamente e a sua interação é tida em conta. O método de cálculo fundamental do EnergyPlus

baseia-se no balanço de energia no qual a temperatura do ar contido dentro dos espaços é

Podem ser identificados cinco “gestores” que organizam todo o funcionamento de uma simulação

no

EnergyPlus

: gestor da simulação, gestor da solução integrada, gestor do balanço de energia da

superfície, gestor do balanço de energia ao ar e gestor de simulação dos sistemas do edifício.

Figura 2.2 EnergyPlus – estrutura modular

O gestor do balanço de energia das superfícies é o responsável pelo balanço de energia e massa

em cada superfície considerando os efeitos de condução, convecção e radiação e transferência de

massa. O gestor do balanço de energia ao ar lida com todas as correntes de ar envolvidas, tais como

ventilação, ar de exaustão e infiltrações, este módulo tem em conta a carga térmica do ar em cada

espaço e avalia os ganhos térmicos por convecção (ex. um ventilador representa um aumento de

temperatura para o fluxo de ar que está a movimentar, devido ao motor e às perdas mecânicas).

Após o balanço de energia estar concluído para um intervalo de tempo entre uma hora e 15

minutos a informação recolhida é transmitida ao gestor de simulação dos sistemas do edifício que

controla a simulação do sistema de AVAC e sistemas elétricos.

De modo a obter uma solução fisicamente realista os elementos têm de estar interligados pelos

Figura 2.3 Esquema de solução simultânea

No EnergyPlus todos os elementos são integrados e controlados pelo gestor da solução integrada,

estando os circuitos de fluidos diferenciados entre o lado das centrais térmicas e o lado das cargas

térmicas. O esquema de solução simultânea recorre ao cálculo iterativo de modo a fazer coincidir a

procura em termos de cargas térmicas nas zonas a serem tratadas, com o fornecimento por parte das

centrais de produção térmica e tratamento de ar novo.

2.6.2 Interface

O

EnergyPlus

foi desenhado para ser um elemento dentro de um sistema de programas que pode

incluir um interface gráfico para descrever o edifício, no entanto, pode ser usado sem esse interface

[8].

As estruturas de entrada de dados do

EnergyPlus

são arquivos baseados em texto, e não

pretendem ser a principal interface para os usuários finais típicos. Para o início de utilização do

EnergyPlus

sem recurso a um interface, é utilizado um programa simples de gestão de arquivos,

entrada de dados e visualização dos resultados, usando uma combinação de ferramentas simplificadas

Figura 2.4 Programa de início do EnergyPlus

A entrada de dados iniciais promove ligações para um simples editor de texto, ou para um mais

sofisticado ficheiro IDF, de extensão “idf” (

Input Data File

) criado pelo EnergyPlus e passível de ser

editado.

Figura 2.5 Editor de ficheiros IDF do EnergyPlus

O programa editor IDF fornece uma abordagem mais estruturada para editar os arquivos de

entrada do que um simples editor de texto. O editor IDF relaciona os dados de entrada apropriados,

exibe comentários e fornece uma grelha para entrada de dados. Arquivos de entrada de texto no

Na área resultados, arquivos de saída de texto são visualizados usando um programa editor de

texto, onde resultados gerados pelo

EnergyPlus

são fornecidos em formato de texto padrão separados

por vírgulas. O programa de lançamento do

EnergyPlus

fornece um link para a visualização e

organização de dados a cada hora através do Microsoft Excel. O

EnergyPlus

também exporta dados de

geometria de construção num formato de desenho (dxf). O programa de lançamento fornece também

um

link

para um o CADii 2000 para visualização em três dimensões.

Sendo o EnergyPlus um motor de simulação de aspeto pouco interativo ele pode ser usado em

conjunto com uma interface gráfica que facilite a parametrização do modelo (geometria, envolvente,

ocupação, iluminação, entre outros). Um dos exemplos de um programa para visualizar/parametrizar

os dados de entrada do

EnergyPlus

é o

DesignBuilder

. O

DesignBuilder

facilita ao utilizador a criação e

parametrização do modelo a três dimensões, embora apresente limitações muito significativas do

ponto de vista da parametrização do sistema de AVAC, disponibilizando poucas soluções para sistemas

de produção térmica e ventilação e que muitas vezes se tornam pouco realistas. Neste sentido caso o

utilizador pretenda parametrizar o seu sistema de AVAC de forma rigorosa, impõem-se que o faça ao

nível do próprio EnergyPlus e não no DesignBuilder.

Figura 2.6 Exemplo de uma geometria três dimensões de um edifício pelo CAD

Toda a informação criada através do

DesignBuilder

é compilada também num ficheiro IDF,

reconhecido pelo

EnergyPlus

. Assim sendo os dados para simulação são inseridos através de dois

ficheiros editados pelo utilizador, o já mencionado IDF, que pode ser criado integralmente no

EnergyPlus

ou com ajuda da interface gráfica do

DesignBuilder

, e o arquivo de dados climáticos de

extensão “.epw” (

Energy Plus Weather File

).

Entre outras possibilidades interface gráfica destacam-se os seguintes programas:

x

ECOTECT

– é um

software

de simulação independente que permite exportar, para o

EnergyPlus, o ficheiro de entrada – input (IDF). É uma interface 3D, intuitiva e com uma

série de funções que permitem a análise de iluminação natural e artificial,

sombreamentos, comportamento térmico, ventilação e acústica.

ESP

-r –

software

de simulação que permite, uma vez introduzido o edifício e características

térmicas, criar um ficheiro IDF, que pode ser importado diretamente para o EnergyPlus.

2.7

TRNSYS

O

TRNSYS

–

Transient System Simulation Program

é desenvolvido e mantido pelo Laboratório de

Energia Solar da Universidade de Wisconsin, Madison. TRNSYS foi disponibilizado comercialmente

desde 1975, e é projetado para simular o desempenho transiente de sistemas de energia térmica.

Várias outras organizações na Europa e Estados Unidos desenvolveram interfaces para o TRNSYS e

agem como "revendedores".

O

TRNSYS

foi originalmente desenvolvido para simular o desempenho de sistemas de

aquecimento solar de água, mas ao longo dos anos tem sido expandido para incluir a simulação

térmica em pequenos edifícios comerciais. [11]. É desenhado para simular a performance transiente

de um sistema térmico, e é composto por um conjunto de sub-rotinas de

Fortran

, designadas por

“

types”

, com um conjunto de entradas –

inputs,

e saídas –

outputs

, cuja inclusão na rotina principal

2.7.1 Estrutura e funcionalidades

Os seus componentes são configurados e reunidos usando um interface designado por

TRNSYS

Simulation Studio

, e é usado outro interface para introduzir dados referentes ao edifício, designado por

TRNBuild

. [13]. Cada edifício ou modelo do sistema é chamado de "

type

", e é em essência uma sub-

rotina

FORTRAN

, contendo um modelo de um componente do sistema. Criando um arquivo de

entrada, o utilizador dirige o

TRNSYS

para ligar as várias rotinas de forma a criarem uma simulação. O

programa de simulação TRNSYS chama os componentes do sistema com base no arquivo de entrada

e efetua cada iteração até que o sistema de equações seja resolvido.

Todo o código fonte encontra-se compilado numa livraria de ligação dinâmicaiii _{(DLL) que é}

chamada quando o programa é executado. Todos os novos

types

(módulos) criados pelo utilizador têm

de ser incorporados na DLL, através de um simples compilador

FORTRAN

.

Este comportamento modular permite que o utilizador adicione, ao código do programa, modelos

matemáticos e reduza a complexidade da simulação, sendo esta uma das maiores vantagens deste

software

.

O

TRNSYS

fornece vários componentes para efetuar a simulação de cargas térmicas dos edifícios.

No entanto, ao contrário das outras ferramentas de simulação de construção, o TRNSYS exige que o

usuário monte um modelo de construção através de um conjunto existente (por vezes pouco intuitivo)

de componentes do

TRNSYS

(compartimentos, paredes, janelas, processador de radiação solar,

termóstato, serpentina de arrefecimento, entre outros).

No

TRNSYS

, os edifícios são tratados como se de outro componente de um sistema se tratasse,

contrariamente aos outros componentes dos edifícios. O modelo mais complexo para a definição de

um edifício é o

Type

56, um modelo multizona, que lê um ficheiro com as características do edifício

pré-processadas. Para a sua definição é necessária a utilização de uma ferramenta específica –

PREBIDiv_{. Nesta aplicação, o utilizador caracteriza o edifício, especificando as zonas térmicas e}

introduz os dados relativos a cada uma: perfis de ocupação, ganhos internos e sistemas aí existentes.

iii_{Dynamic Link Library}

Através do

PREBID

, o utilizador tem acesso às bases de dados dos elementos da envolvente,

respetivos materiais, janelas, etc.

Paredes e janelas são definidos pela orientação, mas uma descrição completa geométrica do

edifício não é suportada. São possíveis definir elementos de sombreamento externo. A infiltração pode

ser programada ou calculada como uma função da temperatura exterior e velocidade do vento. Um

link

para o programa COMISv fornece modelagem de fluxo de ar detalhada.

A inclusão de estratégias de controlo para os diferentes sistemas é conseguida através da

utilização de controladores, sendo possível criar dependência entre as diferentes variáveis de

interação.

Existem três tipos de

types

de controlo previamente definidos na versão base do

TRNSYS

:

x Controlador diferencial

ON/OFF

que permite o controlo direto de variáveis como a temperatura, caudais mássicos, entre outros;

x Termóstato de três estágios, especialmente direcionado para o controlo d aquecimento e arrefecimento simultâneo;

x Controlador de Microprocessador, que combina cinco comparadores diferenciais e que permite a simulação de certos tipos de programadores/controladores existentes no

mercado.

Este sistema comporta-se como um autómato que pode ser, simplesmente, pré-programado.

A base do

TRNSYS

é simples de compreender e tem grandes vantagens: flexibilidade,

modularidade, código aberto e uma base de dados com uma gama alargada de componentes. Tem,

no entanto algumas desvantagens, das quais se destacam, a complexidade para os novos utilizadores,

a identificação dos erros do modelo que é pouco clara e o facto de se tratar de um

software

comercial

e portanto com encargos significativos.

O TRNSYS é um

software

fortemente direcionado para o cálculo térmico e trata a ventilação de

uma forma não exaustiva, sendo pouco apropriado para um estudo detalhado dos efeitos de um

sistema de ventilação na eficiência energética de um edifício. No entanto, devido à sua estrutura

modular e flexível, tem a possibilidade de lhe incluir outras sub-rotinas que podem tratar todas as

questões associadas à ventilação, fluxos de ar e transporte de poluentes.

2.7.2 Interface

O TRNSYS disponibiliza componentes que permitem a utilização de inputs dependentes do tempo,

como por exemplo, os dados climáticos.

Destacam-se as seguintes ferramentas de interligação entre o TRNSYS:

x

IISibat

ou

PRESIM

– Interfaces gráficas para a construção de sistemas;

PRESIM

é um ambiente de simulação

TRNSYS

criado pelo

Solar Energy Research Center

(SERC),

em Borlange, Suécia para simplificar a criação de arquivos de entrada TRNSYS. O usuário trabalha um

desenho do modelo de sistema de uma forma muito similar à de um programa de CAD. Quando a

especificação gráfica do sistema de energia térmica está completo,

PRESIM

gera um arquivo de

entrada completo

TRNSYS

, com base nessas informações.

PRESIM

verifica a existência de erros

formais, tais como entradas desconexas, ou problemas de áreas, os quais podem ser destacados no

monitor. O arquivo de entrada gerado

TRNSYS

texto contém um conjunto completo de comentários.

IISiBat

foi criado pelo Centro de Pesquisa Científica em Edifícios (CSTB), em Sophia Antipolis,

França. IISiBat, que pode ser aproximadamente traduzido do francês como "Interface Inteligente para

a Simulação de Edifícios", é um programa de ambiente geral de simulação que foi adaptado para

abrigar o

software

de simulação

TRNSYS

. É provavelmente o interface mais utilizado para o TRNSYS. O

IISiBat

é projetado para lidar com todas as atividades necessárias associadas ao TRNSYS, combinando

o papel do

TRNSHELL

e

PRESIM

. Estas funções incluem conexões entre os componentes gráficos do

TRNSYS, editando de ficheiros de entrada de dados do Fortran, listando ficheiros de resultados,

oferecendo ajuda

online

, executando simulações paramétricas, e fornecendo atalhos. Semelhantes, em

teoria,

PRESIM

,

IISiBat

tem um utilitário de pré-processamento integrado que permite ao usuário do

TRNSYS criar graficamente ficheiros de entrada de dados

TRNSYS

, ligando as entradas e saídas de

dados de ícones que representam os componentes do

TRNSYS

.

Figura 2.8 Exemplo de entrada IISiBat

x

PREBID

– Interface gráfica para introduzir a informação relativa aos edifícios;

x

TRNSED

– Ferramenta para partilhar simulações com não utilizadores do TRNSYS;

TRNSED

é um programa utilitário do

TRNSYS

que permite criar uma interface gráfica de modo

que utilizadores menos especializados possam executar o

TRNSYS

. Com a adição de alguns comandos

ao ficheiro de entrada do

TRNSYS, TRNSED

gera uma exibição personalizada, com listagens, edição, e

qual as entradas selecionadas podem ser vistas e/ou alterados e efetuadas as simulações. Assim

como o

TRNSHELL

, o

TRNSED

oferece uma capacidade de simulação paramétrica, bem como

listagens após simulações. Ajuda detalhada, conversão de unidades e verificação de entrada de dados,

estão também à disponibilidade do programador do

TRNSED

.

x

SIMCAD

– Envolve CAD compatível com AUTOCAD para edifícios, com o objetivo de

facilitar a introdução da geometria do edifício.

SimCad

para o TRNSYS é uma ferramenta CAD projetada especificamente para a geração de

dados do edifício para o

TRNSYS

/ simulação

IISiBat. SimCad

, embora não seja uma ferramenta de

CAD completa, oferece as ferramentas necessárias para desenhar, visualizar, imprimir e exportar

desenhos em 2D, e 3D. Pode importar ficheiros dxf gerados no AutoCAD. O usuário define as paredes,

portas e janelas do edifício, e o

SimCAD

gera automaticamente um modelo de dados que pode ser

exportado para produzir os arquivos necessários para construir a descrição do ambiente de simulação

do TRNSYS para realizar uma simulação de construção dinâmica de multizona usando o modelo

type

56 de construção detalhada multizona.

Figura 2.9 Exemplo de geração de dados SimCad

O ficheiro de entrada do

TRNSYS

é em código ASCII e, no início, era escrito manualmente, dando

gráficas, nomeadamente o

IISibat

, são uma das vantagens evidentes do

TRNSYS

, uma vez que evita a

necessidade de escrever um ficheiro com a descrição de cada componente do sistema.

O programa

COMIS

-

Multizone Air Flow Model

é um

software

de simulação que foi desenvolvido

entre 1987-1988 durante uma conferência da

Lawerence Berkley Laboratory

(LBNL). Em 1990 a

Comissão Executiva da Agência Internacional de Energia (IEA36) formou um grupo de trabalho que se

focou no estudo da modelação de escoamentos de ar em edifícios multizona. Estes estudos dariam

origem ao código final do

COMIS

. Este

software

pode ser utilizado como um modelo de simulação

independente ou associado a programas de simulação térmica, como por exemplo o TRNSYS ou o

EnergyPlus, como já referido.

Toda a análise física da ventilação assenta num modelo nodal que estuda a distribuição dos

caudais de ar em estruturas multizona tendo em consideração os efeitos do vento, sistemas de

ventilação e ainda a distribuição e transporte de diferentes poluentes.

Tratando-se de um modelo nodal encara o edifício como uma rede de nós e ligações entre eles.

Os nós representam um volume com um conjunto de especificações e as ligações representam

frinchas, aberturas, janelas, dispositivos de ventilação, entre outros, ou seja resistências à passagem

do ar.

O modelo de cálculo utilizado pelo

COMIS

assume que os fluxos de ar atingem o estado

estacionário em cada intervalo de tempo. O transporte dos contaminantes é baseado num modelo

dinâmico e tem o seu próprio intervalo de tempo de integração, baseado na constante de tempo da

zona mais crítica.

A integração do

COMIS

no

TRNSYS

resulta de uma simples inclusão de mais um

type

no código

base do segundo programa. O

type

157, designação desse novo módulo, é ligado ao

type

56

fornecendo-lhe os valores dos caudais de ar em circulação e concentrações de poluentes e recebendo

2.8

ESP-r

O

ESP-r – Enviromental System Performance Research,

foi desenvolvido pela

Energy System

Research Unit

da Universidade de Strathclyde. Trata-se de um

software

de simulação que procura

simular um edifício em condições reais, analisando o seu desempenho em termos de consumos

energéticos, conforto dos ocupantes, qualidade do ar, controle de sistemas. O seu principal objetivo é

simular um modelo, o mais próximo possível da realidade, através de simulação dinâmica. Para esse

efeito, dispõe de modelos matemáticos que permitem simular a transferência de calor e humidade,

caudais de ar, iluminação, sistemas de controlo e uma gama alargada de tecnologias energéticas

convencionais e renováveis.

O programa utiliza o método das diferenças finitas na modelação térmica, podendo por isso ser

utilizado para simular componentes não lineares, como por exemplo Paredes de Trombevi. Ao utilizar um algoritmo com diferenças finitas o

ESP-r

necessita, para conseguir convergir, de intervalos de

tempo de integração muito pequenos, na ordem de apenas alguns minutos, o que resulta em

computadores de elevada capacidade de cálculo e de armazenamento de dados.

É possível utilizar métodos de cálculo avançados para fazer a integração dos diversos tipos de

equações, que representam a conservação de energia e de massa que ocorrem dentro dos edifícios.

Dispõe de uma base de dados, que permite gerir todos os modelos de componentes dos

sistemas, existindo sempre a possibilidade de o utilizador criar e adicionar os seus próprios modelos.

No entanto, esta é uma tarefa nem sempre fácil, devido às regras a que é necessário obedecer para

que o

ESP-r

reconheça os novos componentes. Para além desta base de dados o

software

disponibiliza

informação relativa aos materiais que constituem a envolvente do edifício, controlo, sombreamento,

entre outras. Deste modo, o utilizador poderá sempre acrescentar os seus próprios dados na

simulação do edifício.

vi

Paredes de Trombe: paredes com grande inércia térmica, que são usadas para "guardar" o calor quando a parede é atingida pela radiação solar.

O

ESP-r

foi concebido para o sistema operativo UNIXvii_{, sendo suportado pelo ambiente SOLARIS}viii

ou LINUXix_{. Este é um detalhe que o torna pouco atrativo da ótica do utilizador comum e que pode}

colocar alguns entraves à sua utilização. No entanto, sendo um programa direcionado para o ensino e

investigação, o ESP-r é um programa que pode ser descarregado da Internet sem qualquer encargo.

Trata-se de uma ferramenta poderosa que permite, numa primeira fase do estudo, a quantificação

do impacto da localização, geometria e construção de um edifício, fatores que influenciam, fortemente

o desempenho operacional e os custos associados. Numa segunda fase, o modelo permite uma

análise com mais detalhe de parâmetros como o controlo ou a QAI.

2.9

DesignBuilder

O

software

DesignBuilder

é um interface para o programa de simulação térmica dinâmica

EnergyPlus. Permite uma rápida e fácil introdução de geometrias e oferece um conjunto de

ferramentas que tornam mais fácil a modelação de edifícios.

O

DesignBuilder

contém um módulo IEE que consiste no módulo principal da versão Portuguesa

do DesignBuilder. Permite utilizar a caracterização do edifício, inerente à construção do modelo, e os

resultados da simulação dinâmica detalhada, para calcular diversos parâmetros relevantes no âmbito

do DL 79/2006, entre os quais, o Fator de Forma e Fatores de Correção Climática de Inverno e de

Verão, o IEE limite e S ponderados (em caso de edifícios com várias tipologias), o indicador de

Eficiência Energética, a Classe Energética, e os consumos energéticos relevantes para preenchimento

da DCR / CE.

2.9.1 Interface

O

DesignBuilder

tem um modelador que permite a modelação de edifícios através da criação de

No documento Simulação térmica multizona de um edifício escolar : uma comparação de programas no âmbito do RSECE (páginas 49-68)